電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性控制的有效提升對(duì)策研究

上海易同科技股份有限公司 朱玉明

1 引言

當(dāng)前，廣泛利用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)和電氣技術(shù)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可有效減少成本并提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，讓傳統(tǒng)的工作模式得到優(yōu)化，企業(yè)需要讓設(shè)備在穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行并不斷提升自動(dòng)化的設(shè)備投資。這樣有利于設(shè)備處在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，能回避各運(yùn)行類的問題，維持好企業(yè)的生產(chǎn)秩序并且有效確保產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約對(duì)設(shè)備的維護(hù)成本。所以只有讓設(shè)備的穩(wěn)定性得到保障，才能更好實(shí)現(xiàn)企業(yè)的安全生產(chǎn)，有效減少事故發(fā)生。

2 概述電氣自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)狀

近年來我國(guó)不斷發(fā)展機(jī)械電子技術(shù)和微電子技術(shù)，逐漸擴(kuò)大了電氣自動(dòng)化設(shè)備使用范圍，通過利用電氣自動(dòng)化設(shè)備，有利于提高企業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本。此外，利用電氣自動(dòng)化設(shè)備可以減少人力資源利用量，同時(shí)可以提高人們生產(chǎn)的便利性。電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀反映出國(guó)家電子發(fā)展水平，因此需要加大力度控制電氣自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定[1]。

3 電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性控制的影響因素

3.1 環(huán)境因素

電氣自動(dòng)化設(shè)備所處的環(huán)境溫濕度和氣壓，以及大氣污染等直接關(guān)系到設(shè)備是否能穩(wěn)定運(yùn)行。如果運(yùn)行環(huán)境是惡劣的，那么設(shè)備則會(huì)自動(dòng)停機(jī)，對(duì)設(shè)備非常不利。特別是一些電氣自動(dòng)化設(shè)備是在放在戶外的，因此要考慮很多由環(huán)境帶來的問題。例如，降雨量比較多，將會(huì)導(dǎo)致空氣過于潮濕，而很多電氣自動(dòng)化設(shè)備屬于金屬材質(zhì)，在潮濕的環(huán)境中很容易產(chǎn)生短路問題。同時(shí)，雷電可能會(huì)擊穿供電系統(tǒng)，最終嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備[2]。

3.2 電磁干擾因素

電磁波干擾雖然用肉眼看不到，用手也觸碰不到，但是對(duì)于設(shè)備卻有非常大的影響。電磁波主要是為了改變電氣自動(dòng)化的各內(nèi)組件運(yùn)行情況，如果內(nèi)、外的電磁波相互產(chǎn)生了影響，那么將會(huì)增加內(nèi)部波段，但是因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有限的，因此會(huì)引發(fā)噪音問題，不利于控制電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性，甚至?xí)l(fā)安全事故[3]。

3.3 設(shè)備因素

一些電氣自動(dòng)化設(shè)備自身質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)，此外工作人員在日常工作中沒有嚴(yán)格遵守工作標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也沒有有序開展設(shè)備維修管理工作。例如，設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損情況，并且沒有及時(shí)更換完好的零部件，這將會(huì)增加設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，不利于保障電氣自動(dòng)化設(shè)備使用效果。

4 電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性控制有效提升措施

4.1 控制算法優(yōu)化

設(shè)備的自動(dòng)化控制可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類，絕大多數(shù)自動(dòng)化設(shè)備都采用了閉環(huán)控制。在閉環(huán)控制策略中，PID控制由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用最為廣泛[4]。

如在AGV小車的運(yùn)動(dòng)控制中，為了達(dá)到理想的行進(jìn)速度和平穩(wěn)的行進(jìn)狀態(tài)，常用到PID算法。理想的控制過程為小車從起始位置開始緩慢加速，加速至一定速度后開始緩慢減速，最終在目標(biāo)位置處減速至停止（見圖1）。

圖1 理想的速度曲線

在未采用PID算法前，小車的加減速控制過程不夠精細(xì)，無法做到平滑過渡，整個(gè)行進(jìn)過程中有輕微抖動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，而且由于速度的減速有抖動(dòng)，接近目標(biāo)位置時(shí)候的速度影響到了光電傳感的對(duì)位，目標(biāo)位置的?？颗紶柍霈F(xiàn)誤差過大的情況（見圖2）。

圖2

采用PID算法以后，速度控制過程平穩(wěn)很多，但是偶爾還會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)位置的?？空`差過大的情況，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是由于減速過程的提前量不夠?qū)е陆咏繕?biāo)位置時(shí)的速度還是過快，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整PID參數(shù)，最終獲得了一個(gè)相對(duì)平滑也符合要求的控制過程（見圖3）。

圖3

4.2 數(shù)據(jù)濾波處理

自動(dòng)化控制過程中會(huì)涉及較多數(shù)據(jù)采集，比如UWB室內(nèi)定位中的標(biāo)簽位置采集，原始的位置數(shù)據(jù)往往是離散和抖動(dòng)的，未經(jīng)處理的位置靜止?fàn)顟B(tài)下抖動(dòng)會(huì)很明顯，移動(dòng)的路徑呈折線狀。

由圖4可知，測(cè)得位置與實(shí)際位置一直存在抖動(dòng)，最終表現(xiàn)在PC端管理軟件上現(xiàn)象就是界面上的被定位物體位置的隨機(jī)漂移，誤差在正負(fù)20cm。為了得到更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，可以作用卡爾曼濾波，對(duì)所收集起來的數(shù)據(jù)做了后期的運(yùn)行和處理工作。

圖4 標(biāo)簽靜止時(shí)的測(cè)得位置圖

卡爾曼濾波（Kalman filtering），為線性方程，使用系統(tǒng)將所要觀測(cè)的數(shù)據(jù)輸入其中，就可以得到結(jié)果并輸出，這樣系統(tǒng)就可以算出最優(yōu)解。數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)，由于噪聲以及其他干擾的問題，這種估計(jì)只能是被看成濾波的一種實(shí)際過程。

這里給出python下的代碼如下：

在程序處理端收到某個(gè)基站給出的標(biāo)簽距離的數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用此函數(shù)，實(shí)際上就是對(duì)該基站的標(biāo)簽數(shù)據(jù)序列進(jìn)行了濾波操作，根據(jù)三個(gè)基站的數(shù)據(jù)就可以解方程計(jì)算出標(biāo)簽的最終位置。濾波處理后，位置數(shù)據(jù)的抖動(dòng)有了明顯的改善，數(shù)據(jù)明顯收斂，漂移抖動(dòng)保持在8cm內(nèi)。

圖5 濾波后標(biāo)簽靜止時(shí)的測(cè)得位置圖

圖6 濾波前后標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)路徑圖

4.3 改進(jìn)電氣自動(dòng)化設(shè)備的散熱系統(tǒng)

每一種電氣自動(dòng)化設(shè)備在運(yùn)行過程中都會(huì)產(chǎn)生熱量，尤其是電氣自動(dòng)化設(shè)備始終處于使用狀態(tài)中，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行過程中將會(huì)不斷提高溫度，并且產(chǎn)生較大的熱量，不利于控制電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性。因?yàn)殡姎庠O(shè)備空間存在限制，不利于高效的散熱，不斷增多熱量之后將會(huì)持續(xù)性升高電氣自動(dòng)化設(shè)備的溫度，而且會(huì)逐漸增加內(nèi)外溫差，最終引發(fā)高溫故障，電報(bào)自動(dòng)化的設(shè)備穩(wěn)定性未能得到更好的保障。同時(shí)，在設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理控制，有效優(yōu)化散熱系統(tǒng)。因此，第一步要對(duì)設(shè)備散熱情況做好分析，利用有關(guān)原理根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整設(shè)備的溫度，之后對(duì)四周的環(huán)境進(jìn)行有效的優(yōu)化。這樣的目的在于保證電氣設(shè)備空間空氣流動(dòng)的流暢性，促進(jìn)電氣自動(dòng)化設(shè)備高效散熱。此外，要利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，例如可以選用高溫材料，避免因?yàn)楦邷囟鴵p壞電氣自動(dòng)化設(shè)備。

4.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

工作人員研究、制造設(shè)備時(shí)，要考慮到設(shè)備是需要運(yùn)用至實(shí)踐中的，因此要全面對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行掌握，根據(jù)實(shí)際情況，優(yōu)化自動(dòng)化的設(shè)備并對(duì)整體方案做好優(yōu)化工作，這樣自動(dòng)化設(shè)備在運(yùn)行時(shí)才更加穩(wěn)定。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以將自動(dòng)化設(shè)備投入實(shí)踐運(yùn)用中。但是需要注意合理選擇同一個(gè)生產(chǎn)商，這是因?yàn)橥簧a(chǎn)商生產(chǎn)的電氣設(shè)備具有相同的基本功能，但是在設(shè)備建造過程中需要利用不同的零件和構(gòu)造，因此在電氣自動(dòng)化設(shè)備安裝過程中要選擇同一廠商的設(shè)備，如果電氣自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)生問題，也可以及時(shí)解決問題。

設(shè)計(jì)方案需要特別注意一點(diǎn)，即要設(shè)置好運(yùn)動(dòng)板卡、交流接觸器，還要使用金屬分開。主要原因是由于運(yùn)動(dòng)板卡容易受外界影響，所以對(duì)于弱、強(qiáng)電線路，需要分開來進(jìn)行排布處理，同時(shí)連接線路時(shí)使用的是雙絞屏蔽電纜。且在這個(gè)過程還需要注意處理電纜屏蔽層接地工作，這樣做的目的在于把靜電導(dǎo)出，可有效減少外因因素對(duì)此產(chǎn)生的不良影響。且在安裝電報(bào)自動(dòng)化設(shè)備時(shí)，需要采用模擬自動(dòng)化設(shè)備的試驗(yàn)，計(jì)算設(shè)備指標(biāo)，如果試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有一定的差異，因此需要模擬式中工作的環(huán)境，只有這樣才能讓檢測(cè)結(jié)果更加具有準(zhǔn)確性。

4.5 合理選擇零部件

電氣自動(dòng)化設(shè)備企業(yè)需要合理選擇零部件，項(xiàng)目設(shè)計(jì)考慮電路實(shí)際需求，選擇各節(jié)點(diǎn)所要用的零件，這樣可以減少不必要的零件支出，在節(jié)約成本的同時(shí)可滿足設(shè)備的運(yùn)行，并且有效提升設(shè)備的穩(wěn)定和安全性。選擇零件時(shí)要考慮其專業(yè)性，合理選擇其參數(shù)并提升項(xiàng)目在運(yùn)行中的可靠性。采用專業(yè)的零件才能符合設(shè)備的運(yùn)行要求，減少故障發(fā)生。同時(shí)，可以節(jié)省后期維護(hù)費(fèi)用，提高整體產(chǎn)品質(zhì)量。

例如某倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)第一個(gè)落地應(yīng)用版本采用了有軌小車加固定升降機(jī)的模式，服務(wù)器軟件調(diào)度小車與升降機(jī)來實(shí)現(xiàn)貨箱的存取，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰，軟件業(yè)務(wù)邏輯簡(jiǎn)單明了。在實(shí)際安裝施工中，發(fā)現(xiàn)升降機(jī)的安裝與調(diào)試花費(fèi)了大量的人力物力，最終導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的成本沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)第一版的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，研發(fā)了一款自帶升降機(jī)構(gòu)的有軌小車。小車的軌道行走與直臂夾取結(jié)構(gòu)沿用了第一版小車的相關(guān)結(jié)構(gòu)，新增了升降相關(guān)的機(jī)構(gòu)。

升降機(jī)構(gòu)采用無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合多圈角度編碼器控制高度定位，編碼器需針對(duì)實(shí)際貨架高度進(jìn)行零點(diǎn)設(shè)置，每層貨架高度對(duì)應(yīng)的角度值需要實(shí)測(cè)標(biāo)定。小車收到的升降指令中包含了貨架的層號(hào)，根據(jù)層號(hào)查找對(duì)應(yīng)的角度編碼器值，啟動(dòng)電機(jī)，軟件連續(xù)判斷當(dāng)前角度值，采用PWM控制升降速度，在接近目標(biāo)值時(shí)，升降平滑減速，最終達(dá)到了2mm的精度，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4.6 加強(qiáng)管理維護(hù)電氣自動(dòng)化設(shè)備

設(shè)備在運(yùn)行過程中，應(yīng)考慮運(yùn)行時(shí)的安全以及穩(wěn)定性。因此，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，加大其維護(hù)以及管理是一項(xiàng)必要的工作。在管理電氣自動(dòng)化設(shè)備時(shí)要安排有關(guān)人員，做好設(shè)備的調(diào)試工作，如果有異常的情況，需要做好協(xié)調(diào)處理。例如，如果異常發(fā)生要立刻上報(bào)通知中，同時(shí)做好檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)異常后快速響應(yīng)，處理完畢之后再需要復(fù)檢。只有在設(shè)備完成正常時(shí)，才能繼續(xù)使用。

同時(shí)，在設(shè)備調(diào)試時(shí)，工作人員的意識(shí)也是非常重要的。因此，有的工作人員在工作中存在僥幸心理，認(rèn)為小故障不足以影響設(shè)備的運(yùn)行，這種想法是需要改變的。要優(yōu)化每個(gè)工作人員的意識(shí)，檢查設(shè)備細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)問題后才能用最快的速度的響應(yīng)并處理。如果在實(shí)際工作中，使用了沒有維護(hù)好的設(shè)備，則可能產(chǎn)生重大事故。因此，還要做好電氣自動(dòng)設(shè)備的不定期檢測(cè)工作，如果發(fā)現(xiàn)故障，立刻停止，并組織人員進(jìn)行設(shè)備的維修處理，建立檔案，讓更多的工作人員可以掌握每一個(gè)設(shè)備的具體信息，并且還可以記錄維修的內(nèi)容、次數(shù)，這樣方便后期有效管理，進(jìn)一步提高檢修工作效率。

在設(shè)備維護(hù)過程中，需要制定科學(xué)的設(shè)備維修方案，可以發(fā)揮出自動(dòng)化技術(shù)的作用，綜合引進(jìn)計(jì)算機(jī)工作設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，緊密聯(lián)系電氣自動(dòng)化設(shè)備和計(jì)算機(jī)核心系統(tǒng)，有利于遠(yuǎn)程監(jiān)控電氣自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備監(jiān)管工作的智能化。技術(shù)人員要加強(qiáng)記錄設(shè)備零部件的材質(zhì)和種類，通過模擬設(shè)備運(yùn)行確定零部件是否存在磨損問題，同時(shí)可以預(yù)估零部件使用壽命，在零部件到到使用壽命之前就開始更換設(shè)備，維持設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。

4.7 技術(shù)創(chuàng)新

落實(shí)電氣自動(dòng)化設(shè)備智能化管理，可以構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，全面統(tǒng)計(jì)電氣自動(dòng)化設(shè)備的類型和功能以及基本需求之后，可以制定針對(duì)性的管控方案。信息技術(shù)不斷發(fā)展，技術(shù)人員需要建立創(chuàng)新意識(shí)。當(dāng)前，分階段管控工作具有良好的使用效果，可以根據(jù)供電傳輸和配電管理等區(qū)分不同的電氣自動(dòng)化設(shè)備的用途，合理設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備管理效果。

因?yàn)樘幚磉\(yùn)行參數(shù)具有一定的難度，因此需要建立工作數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化數(shù)據(jù)分析效果。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化結(jié)合相關(guān)算法，有利于高效控制電氣設(shè)備[6]。如可以智能化檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如果設(shè)備參數(shù)符合設(shè)定范圍，可以繼續(xù)運(yùn)行。如果檢測(cè)到異常問題，可以立即出發(fā)停機(jī)指令，并且利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)制斷電設(shè)備，同時(shí)利用信息技術(shù)精確定位故障發(fā)生的問題，方便工作人員及時(shí)維修設(shè)備。

綜上所述，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，所存在的因素很多。所以只有效控制電氣自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定性并提出針對(duì)性的解決辦法，才能更好的確保設(shè)備的正常運(yùn)行以及可持續(xù)的發(fā)展。針對(duì)電氣自動(dòng)化設(shè)備的控制，周圍運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備管理與檢修、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，均是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素。為此，要想真正保證電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性，還需要定期組織檢查與維護(hù)，全方面排除威脅設(shè)備正常運(yùn)行的影響因素，提升電氣自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行效率、穩(wěn)定性，滿足社會(huì)發(fā)展的需求。

電氣自動(dòng)化設(shè)備管理運(yùn)維積累的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定性控制非常重要。針對(duì)工作中穩(wěn)定性控制的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，要想有效控制設(shè)備穩(wěn)定性，需要從運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備自身故障排查等方面著手，優(yōu)化電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)，做好設(shè)備的管理與維護(hù)工作，消除可能影響電氣自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性的因素，從而保證電氣設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。